劉增鵬,劉 禎
(1.湖北文理學(xué)院純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北襄陽(yáng) 441053;2.湖北文理學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院,湖北襄陽(yáng) 441053)
質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cells,PEMFC)不受卡諾循環(huán)限制,其能量密度也遠(yuǎn)高于鋰電池,且發(fā)電過(guò)程無(wú)污染、清潔高效,故而在航空航天、儲(chǔ)能發(fā)電和汽車交通等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而,PEMFC 仍存在穩(wěn)定性相對(duì)較差、制造成本高等不足,這就限制了其廣泛應(yīng)用[1]。在諸多因素中,熱管理問(wèn)題是限制其應(yīng)用的主要因素之一。PEMFC 的能量效率通常不會(huì)超過(guò)50%,即發(fā)電功率為100 kW 的PEMFC 發(fā)熱功率最低也有100 kW[2]。PEMFC 在工作過(guò)程中工作溫度過(guò)高,易造成溫度分布不均勻,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致局部熱點(diǎn)等問(wèn)題,對(duì)PEMFC 造成不可逆損傷[3]。PEMFC 由于其自身局限,80%的熱量要依靠冷卻水帶走[4]。隨著PEMFC 功率密度的需求越來(lái)越高,對(duì)熱管理系統(tǒng)的要求愈發(fā)嚴(yán)格,設(shè)計(jì)合適的冷卻流道以增強(qiáng)換熱效率就顯得十分必要。
為提升冷卻流道的散熱能力,國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。對(duì)等截面流道的研究均表明平行直流道傳熱性能最差,但具有最低的壓降,蛇形、螺旋形流道雖傳熱性能更好,但往往會(huì)造成更高壓降,增加增生功率[5-8]。對(duì)不同流道分布的電堆的研究則發(fā)現(xiàn),流道排列方式的改變能直接影響到功率密度及溫度均勻性[9-10]。上述研究均涉及冷卻流道結(jié)構(gòu),但都局限于常規(guī)流道。Senn S M 等設(shè)計(jì)了一種樹(shù)狀網(wǎng)格微通道流道,這種流道由于在分岔處存在二次流動(dòng),具有更好的傳熱能力及更低的壓降,但該流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜,應(yīng)用受限[11]。Lasbet Y 等研究了低雷諾數(shù)情況下三種流道的傳熱能力,結(jié)果表明,Z 型流道內(nèi)存在紊流,傳熱性能最好,C 型流道內(nèi)出現(xiàn)渦旋,傳熱性能次之,直流道最差[12]。Afshari E 等設(shè)計(jì)了一種鋸齒形冷卻流道,該流道相較直流道具有更低的溫度和更小的溫差,溫度均勻性也更好,有效提升了燃料電池的散熱能力[13]。以上學(xué)者從改進(jìn)流道結(jié)構(gòu)出發(fā),設(shè)計(jì)了區(qū)別于傳統(tǒng)直流道的新型流道,但這些流道要么結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,應(yīng)用受限,要么分析不夠深入,多數(shù)從散熱性能優(yōu)劣方面分析,對(duì)產(chǎn)生傳熱差異的因素分析不足。
由此可發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有研究大多局限在常規(guī)流道形式及冷卻流道布置形式上,對(duì)基于強(qiáng)化傳熱原理設(shè)計(jì)的流道研究較少。少數(shù)研究基于強(qiáng)化傳熱原理設(shè)計(jì)的冷卻流道結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,不利于加工,同時(shí)這部分研究未對(duì)強(qiáng)化傳熱原理進(jìn)行較多探究。本文基于強(qiáng)化傳熱原理設(shè)計(jì)了一種擋塊呈N 型分布的擾流式冷卻流道,從溫度、溫差、溫度均勻性等方面探究其傳熱能力,再以場(chǎng)協(xié)同原理輔助探究擾流式冷卻流道強(qiáng)化傳熱原理。
PEMFC 內(nèi)部發(fā)生的物理現(xiàn)象一般可表示為動(dòng)量、質(zhì)量和能量守恒方程的解,又由于其內(nèi)部存在多種組分之間的相互作用,還應(yīng)滿足組分守恒方程。
質(zhì)量守恒方程:
能量守恒方程:
動(dòng)量守恒方程:
組分守恒方程:
PEMFC 中供給的氫氣的化學(xué)能否盡可能釋放,主要取決于供給反應(yīng)氣體的質(zhì)量流量。
氫氣與氧氣的化學(xué)計(jì)量數(shù)如下:
已知陽(yáng)極與陰極過(guò)量系數(shù)之比為1.5∶2,反應(yīng)氣體濕度為100%,工作溫度為353.15 K,根據(jù)上述公式計(jì)算出陽(yáng)極側(cè)供氣質(zhì)量流量為3.460 8×10-6kg/s,陽(yáng)極側(cè)供氣質(zhì)量流量為2.787 1×10-5kg/s。
為建立流動(dòng)與傳熱的聯(lián)系,依據(jù)場(chǎng)協(xié)同理論,引入場(chǎng)協(xié)同角評(píng)價(jià)傳熱性能。場(chǎng)協(xié)同角公式:
式中:θ為場(chǎng)協(xié)同角;U為流速;?T為溫度梯度。
依據(jù)場(chǎng)協(xié)同理論,當(dāng)流體的速度和物理性質(zhì)確定時(shí),減小場(chǎng)協(xié)同角可以提升速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)之間的協(xié)同性,有利于對(duì)流換熱。
單片燃料電池模型在UG 中建立,如圖1 所示。模型兩側(cè)為雙極板,雙極板上開(kāi)有溝槽,一側(cè)溝槽與擴(kuò)散層接觸,形成呈雙路蛇形布置的反應(yīng)氣體流道,一側(cè)溝槽與其他單片燃料電池溝槽對(duì)應(yīng),共同形成呈平行布置的冷卻流道。膜電極從外到內(nèi)分別為擴(kuò)散層、催化層、質(zhì)子交換膜?;谏鲜鼋Y(jié)構(gòu),本文仿真計(jì)算時(shí),共建立11 個(gè)計(jì)算域,仿真在ANSYS Fluent中進(jìn)行。
圖1 模型示意圖
模型質(zhì)子交換膜厚0.05 mm,膜面積為2 500 mm2,催化層厚0.02 mm,擴(kuò)散層厚0.1 mm,陰(陽(yáng))極板厚2.5 mm,反應(yīng)氣體流道截面為1 mm2的正方形。
擾流式冷卻流道形狀及布置方式如圖1 右下所示,主要尺寸如圖2 所示。擾流式流道內(nèi)有著許多正方形擋塊,擋塊間隔1 mm 布置并呈N 型規(guī)律分布,這種布置可使各擋塊均能起到作用,增強(qiáng)擾流能力。
圖2 流道尺寸示意圖
合理的物性參數(shù)與邊界條件是得到準(zhǔn)確仿真結(jié)果的基礎(chǔ),反應(yīng)氣體進(jìn)氣參數(shù)已在1.2 節(jié)給出,模型主要工作參數(shù)如下:參考?jí)毫?01 325 Pa;工作溫度353.15 K;冷卻水溫度348.15 K;開(kāi)路電壓1.05 V;工作電壓0.7 V。
為驗(yàn)證本模型選用的數(shù)值模擬計(jì)算方法是否準(zhǔn)確,選用Cheng C H 等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確性驗(yàn)證[14]。驗(yàn)證過(guò)程中仿真模型的尺寸、材質(zhì)和邊界條件等與Cheng C H 等的實(shí)驗(yàn)保持一致。
準(zhǔn)確性驗(yàn)證結(jié)果如圖3 所示,從圖中可以看到電流密度在3 500 A/m2以下時(shí),實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果較接近,電流密度大于3 500 A/m2時(shí),實(shí)際燃料電池會(huì)因產(chǎn)生過(guò)多的水而導(dǎo)致濃度極化損失增加,而仿真模型對(duì)濃度極化損失的計(jì)算存在不足,導(dǎo)致極化曲線偏差較大,但在中低電流密度下實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合性較好。
圖3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比
本文在仿真計(jì)算時(shí)采用0.7 V 工作電壓,此時(shí)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果極為吻合,誤差較小,數(shù)值模擬計(jì)算方法可滿足仿真需求。
為確定滿足仿真需求的網(wǎng)格數(shù)量,進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,網(wǎng)格在Hypermesh 中劃分,全局為六面體網(wǎng)格。網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證參數(shù)如表1 所示,綜合考慮,選取1.6×106網(wǎng)格數(shù)量的模型進(jìn)行后續(xù)仿真。
表1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證參數(shù)
本節(jié)對(duì)不同流速下燃料電池中直流道與擾流式流道的傳熱性能進(jìn)行分析,表2 所示為不同流速下燃料電池表面及中心面的溫度數(shù)值。
表2 燃料電池表面與中心面溫度數(shù)值
由表2 可發(fā)現(xiàn),在同流速時(shí),擾流式流道的溫度均低于直流道。流速由0.05 m/s 增至0.1 m/s,擾流式流道表面溫差下降40.05%,直流道為25.00%;擾流式流道中心面溫差下降10.57%,直流道為7.03%。說(shuō)明采用擾流式流道的燃料電池溫度更低、溫差更小,且流速增加仍能減小溫差。
圖4 為冷卻水流速0.1 m/s 時(shí)兩種流道對(duì)應(yīng)的燃料電池表面與中心面的溫度云圖。對(duì)比兩流道的溫度云圖,發(fā)現(xiàn)擾流式流道溫度范圍更小,表明使用擾流式流道時(shí)燃料電池溫度變化更平緩,均勻性更好。
圖4 冷卻水流速為0.1 m/s時(shí)燃料電池表面與中心面溫度云圖(上為擾流式流道,下為直流道)
從圖4 中還可發(fā)現(xiàn)溫度云圖未呈現(xiàn)對(duì)稱分布,雙極板兩側(cè)溫度存在差異且陰極側(cè)溫度較高,均與實(shí)際情況吻合,進(jìn)一步表明仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性,同時(shí)也表明前人施加均勻熱流研究冷卻流道散熱的方法存在不足。
擾流式流道傳熱能力更好,但也會(huì)造成更大壓降,流速由0.05 m/s 增至0.1 m/s,擾流式流道壓降由149.3 Pa 增至526.9 Pa,直流道壓降由13.7 Pa 增至29.1 Pa。擾流式流道壓降較大,增長(zhǎng)幅度也大。將蛇形、螺旋形等行程較長(zhǎng)的流道改進(jìn)為擾流式流道,壓降將明顯增加。
從4.1 節(jié)可知,流速由0.05 m/s 增至0.1 m/s,直流道表面的溫度降幅為擾流式流道的79.41%,溫差降幅為擾流式流道的67.08%,擾流式流道傳熱能力明顯高于直流道。本節(jié)對(duì)增強(qiáng)傳熱能力的因素進(jìn)行研究。本節(jié)所有數(shù)據(jù)皆為冷卻水流速為0.1 m/s 時(shí)取得。
擾流式流道流動(dòng)趨勢(shì)呈周期性流動(dòng),如圖5 截取部分跡線圖所示。冷卻水從左往右流動(dòng),由于中部擋塊的阻礙被迫從其兩側(cè)流過(guò),并在其背流區(qū)及下側(cè)擋塊拐角處形成渦旋,上側(cè)流體又由于擋塊阻礙再次變向,最終與下側(cè)流體匯合與下一處中部擋塊相遇,并在上側(cè)擋塊附近形成渦旋。其后流動(dòng)趨勢(shì)與上述相近。
圖5 擋塊處跡線圖
擋塊的存在擾亂了冷卻水的流動(dòng),形成多處渦旋,增加了流動(dòng)的復(fù)雜程度。這種在低雷諾數(shù)情況下出現(xiàn)近似紊流的流動(dòng)特征,稱為混沌對(duì)流[15]。
從圖6 可以發(fā)現(xiàn)直流道內(nèi)場(chǎng)協(xié)同角均接近90°,整體傳熱能力處于較差水平,在擾流式流道內(nèi),擋塊附近區(qū)域的場(chǎng)協(xié)同角存在較大波動(dòng)。由圖5 可發(fā)現(xiàn)擋塊附近區(qū)域的流體流向變化顯著,部分區(qū)域存在渦旋,流動(dòng)較為復(fù)雜,說(shuō)明擋塊的擾流減小了場(chǎng)協(xié)同角,起到了強(qiáng)化傳熱的作用。
圖6 擾流式流道(上)與直流道(下)場(chǎng)協(xié)同分布
為進(jìn)一步探究擾流式流道強(qiáng)化傳熱機(jī)理,取圖7 所示的6個(gè)截面進(jìn)行分析。截面1 為流道中間截面,位置為X1=0 mm,截面1 至截面6 位置為X1=0 mm、X2=0.4 mm、X3=1.6 mm、X4=2.4 mm、X5=3.6 mm 和X6=4.0 mm。6 個(gè)截面的流向與溫度分布如圖8 所示。
圖7 截面位置圖
圖8 截面流向與溫度
截面1、5 和6 為流體在兩側(cè)擋塊后的流向與溫度分布情況。截面1 左側(cè)與截面5、6 右側(cè)為臨近擋塊區(qū)域,此處流向發(fā)生突變,部分流向線淡化,表示此處發(fā)生逆流,與圖5 兩側(cè)擋塊后渦旋對(duì)應(yīng)。臨近擋塊區(qū)域流體溫度明顯較高,近壁面高溫流體經(jīng)渦旋與低溫流體混合,促進(jìn)熱量傳遞,截面5、6 右側(cè)溫度變化證實(shí)此點(diǎn)。由流體混合導(dǎo)致的溫度突變改變了場(chǎng)協(xié)同角,表現(xiàn)為圖6 擾流式流道中部擋塊左上(下)部低協(xié)同角區(qū)。
截面2 和4 為流體流向擋塊時(shí)的流向與溫度分布情況,兩截面在近擋塊區(qū)域溫度與流向均有較大變化。由圖6 可發(fā)現(xiàn),在各擋塊迎流區(qū)域均有扁平低協(xié)同角區(qū),這是由此處流向突變導(dǎo)致。流體對(duì)擋塊的沖擊增大了擋塊迎流面溫度場(chǎng),低溫流體的瞬速補(bǔ)充使擋塊迎流區(qū)域傳熱能力得以維持在較高水平。
截面3 為流體在中間擋塊后的流向與溫度分布情況。在臨近擋塊區(qū)域溫度明顯升高且出現(xiàn)大面積逆流,與圖5 中部擋塊后渦旋相對(duì)應(yīng)。此處渦旋將高溫流體輸送至附近高流速低溫流體與其混合,圖6 中部擋塊后大片低協(xié)同角區(qū)域就是由于冷熱流體混合導(dǎo)致的溫度突變形成。
由圖9 可以看到直流道內(nèi)流體流向與截面垂直,溫度梯度較擾流式流道大。直流道內(nèi)流體流向變化小,內(nèi)部冷熱流體不能通過(guò)混合的方式迅速換熱,導(dǎo)致溫度梯度小,熱量傳遞較慢。
圖9 直流道中心截面流向與溫度
擾流式流道內(nèi)場(chǎng)協(xié)同角的變化由兩方面引起:一是由于復(fù)雜的流動(dòng)使得部分區(qū)域流體流向突變,減小了場(chǎng)協(xié)同角;二是由于高溫流體與低溫流體的混合,令部分區(qū)域溫度突變,減小了場(chǎng)協(xié)同角。直流道內(nèi)流體流向穩(wěn)定,溫度梯度變化小,導(dǎo)致場(chǎng)協(xié)同角接近直角。所以擾流式流道才具有更好的傳熱能力。
本文對(duì)具有直流道與擾流式流道的質(zhì)子交換膜燃料電池進(jìn)行仿真分析,對(duì)比不同流速下兩種流道對(duì)燃料電池溫度的影響,發(fā)現(xiàn)擾流式流道具有更優(yōu)的傳熱能力。之后對(duì)擾流式流道具有更優(yōu)傳熱能力的原理進(jìn)行分析,最終得到以下結(jié)論:
使用擾流式流道能給燃料電池帶來(lái)更低的溫度與溫差,同時(shí)也能擁有更好的溫度均勻性。擾流式流道隨流速的增加能降低更多溫度,但也會(huì)導(dǎo)致更高的壓降。對(duì)于蛇形流道這類行程較長(zhǎng)的流道,施加擋塊造成的壓降將更明顯。
由于擋塊的阻礙使得擾流式流道內(nèi)流體在低雷諾數(shù)條件下出現(xiàn)混沌對(duì)流,呈現(xiàn)出近似紊流的流動(dòng)特征,增加了流動(dòng)的復(fù)雜程度。一方面,流體復(fù)雜的流動(dòng)使得流道內(nèi)高溫流體與低溫流體能充分混合,降低了流道中心區(qū)域的溫度梯度,使各處流體均能吸收熱量。另一方面,流體復(fù)雜的流動(dòng)增加了近壁面處的溫度梯度,使熱量能更快地從壁面?zhèn)鬟f至中心區(qū)域。兩因素共同作用,使得擾流式流道的傳熱能力得到強(qiáng)化,而流道內(nèi)擋塊的有序布置使強(qiáng)化傳熱得以維持。